1. 導入
CD3MWCuN (米国 J93380, ASTM A890/A995 グレード 6A) 高性能超二相ステンレス鋼です。 (SDSS) 1980年代半ばに開発された, 海底油田やガス田などの過酷な使用環境の腐食の問題に対処するために特別に設計されています。, 化学処理工場, および海水淡水化施設.
従来の二相ステンレス鋼とは異なります。 (DSS) のように 2205, CD3MWCuN は画期的な耐食性バランスを実現, 機械的強度, 最適化された合金設計による加工性の向上, 標準の DSS と高価なニッケルベース合金との間の性能ギャップを埋める (例えば。, Hastelloy C276).
2. CD3MWCuN二相ステンレス鋼とは?
CD3MWCuN は スーパーデュプレックス ステンレス鋼 非常に高い局部腐食耐性と、機械的強度の向上、鋳造および鍛造の両方の実用的な製造可能性を組み合わせるように設計された合金.
その名称は合金の強調を反映しています - 高 cr (クロム), 重要な MO (モリブデン) そして w (タングステン), 意図的に n (窒素) オーステナイトの安定化と強化のレベル, そして制御された cu (銅) 特定の還元性または酸性プロセス媒体における挙動を改善するための添加.
エンジニアリングの実践では、塩化物が豊富な環境では CD3MWCuN が指定されています, 高い機械的負荷, 長いサービス間隔が一致する — たとえば、, 海底ハードウェア, 海水ポンプとバルブ, 油 & ガスマニホールド, 海水淡水化プラントのコンポーネントと強力な化学プロセス装置.
典型的な機能的属性 (まとめ)
- 極めて高い耐局部腐食性: 設計された Cr-Mo-W-N バランスにより、通常は「スーパー二相」範囲に入る PREN 値が得られます (優れた耐孔食性/耐隙間性を実現するスクリーニングインジケーター).
- 高い機械的強度: 二相構造により、一般的なオーステナイトよりも大幅に高い降伏強度と引張強度が得られます。 (より薄くすることを可能にする, 軽量化された圧力部品).
- SCC耐性の向上: 300 シリーズのオーステナイトや多くの低合金二相鋼と比較して、塩化物応力腐食割れに対する感受性が低い.
- 複雑な形状に対する鋳造性: 完全性の高い鋳物として製造されるように配合されています (適切な鋳造工場管理を備えた) 複雑なコンポーネントをニアネットシェイプで提供できるようにする.
- 良好な一般的な腐食安定性: 酸化条件下でも安定した不動態皮膜; 合金の幅広さにより、多くのプロセス化学にわたって多用途性が得られます.
3. 合金元素の化学および冶金学的機能
のパフォーマンス CD3MWCuN二相ステンレス鋼 注意深くバランスがとれた状態で管理されています, 局所的な耐腐食性と機械的強度を最大化しながら、二相フェライト - オーステナイト微細構造を安定化するように設計された多元素合金システム.
| 要素 | 代表的な内容 (wt。％) | 冶金学的機能 |
| クロム (cr) | 24.0 - 26.0 | 一次不動態化要素; 安定したCr₂O₃皮膜の形成を促進します。; 強力なフェライト安定剤 |
| ニッケル (で) | 6.0 - 8.5 | オーステナイトスタビライザー; 靭性と延性を改善します |
| モリブデン (MO) | 3.0 - 4.0 | 孔食と隙間の腐食に対する耐性を高めます; フェライトを強化します |
| タングステン (w) | 0.5 - 1.0 | Moを添加し、局所腐食耐性を向上させます。 |
窒素 (n) |
0.18 - 0.30 | 強力なオーステナイトスタビライザー; 固溶強化; ピット抵抗を改善します |
| 銅 (cu) | 0.5 - 1.0 | 特定の還元酸に対する耐性を向上させます; 一般的な耐食性を向上させます |
| 炭素 (c) | ≤ 0.03 | 炭化物の降水量を最小限に抑えるために制御されます |
| マンガン (Mn) | ≤ 1.0 | デオキシジ剤; 窒素の溶解を助ける |
| シリコン (そして) | ≤ 1.0 | デオキシジ剤; 鋳造時の流動性を向上させる |
| リン (p) | ≤ 0.03 | 残留要素; 靭性を維持するために制限される |
| 硫黄 (s) | ≤ 0.02 | 不純物の制御 |
| 鉄 (fe) | バランス | 基本行列要素 |
4. 代表的な機械的特性 (溶体化焼鈍状態)
| 財産 | 典型的な範囲 / 価値 | 試験条件 / コメント |
| 0.2% 証拠 / 降伏強度, RP0.2 (MPA) | 450 - 700 | 製品形態によるバリエーション: 下端方向の鋳物, 上端は鍛造/鍛造 |
| 抗張力, rm (MPA) | 700 - 950 | 室温, 標準引張試験片 |
| 破断伸び, a (%) | 20 - 35 | 鍛錬/鍛造の場合は高い; キャストは下限に向かう可能性があります |
| 面積の削減, z (%) | 30 - 50 | 製品形状、熱処理品質による |
硬度, HB (ブリネル) |
220 - 350 | 典型的な供給されたままの状態; より高い値は冷間加工または局所硬化を示している可能性があります |
| シャルピー V ノッチ衝撃エネルギー (j) | ≥ 50 - 150 (部屋の温度) | 広い範囲 - 鋳造品質と熱処理に依存; 必要最小限を指定する |
| 疲労強度 (回転曲げ, 10^7サイクル) (MPA) | ~300 – 450 (アプリケーションに依存する) | 強く表面化する- 細部に依存する; 適格な S–N データを設計に使用する |
| 収率 / 引張比 (RP0.2 / rm) | ~0.60 – 0.80 | 二本構造の典型的な微細構造 |
5. CD3MWCuN二相ステンレス鋼の物理的および熱的性質
| 財産 | 代表値 / 範囲 | 試験条件 / コメント |
| 密度 (g・cm⁻³) | 7.80 - 7.90 | 室温 |
| 弾性率, e (GPA) | 200 - 210 | 室温; 温度とともに減少する |
| ポアソン比, n | 0.27 - 0.30 | 技術的な見積もり: 使用 0.28 必要に応じて |
| 熱伝導率, k (W・m⁻¹・K⁻¹) | 14 - 18 | で 20 °C; フェライト鋼よりも低い, 多くのニッケル合金よりも高い |
| 熱膨張係数 (20–200°C) (×10⁻⁶ K⁻¹) | 11.0 - 13.0 | 温度依存曲線を使用して正確な熱ひずみ解析を行う |
| 比熱容量, CP (J・kg⁻¹・K⁻¹) | 450 - 500 | 室温; 温度とともに増加する |
| 熱拡散率 (m²・s⁻¹) | ~4.5 – 7.0 ×10⁻⁶ | k/から計算(ρ・cp); 製品に依存する |
電気抵抗率 (おお; m) |
~7.5 – 9.5 ×10⁻⁷ | 室温; 正確な化学に依存します |
| 磁気の挙動 | 部分的に磁気 | フェライト相分率による; 透過性は相バランスと冷間加工に依存します |
| 一般的な使用温度 (連続) | −50 °C ～ ≈ 300 °C (推奨) | ～300℃以上, 金属間化合物の析出と靭性/耐食性の損失のリスク; 高温期には資格が必要 |
| ソリッド / 液体 (°C) | 合金に依存する; サプライヤーに問い合わせる | 二相/超二相合金は一定の範囲で凝固します; 鋳造/溶接の実践についてはミルデータを参照してください |
6. 耐食性: 従来の二相鋼を超えて
CD3MWCuN の決定的な利点は耐食性です, PREN によるサポート (テイク= cr + 3.3MO + 30n + 16cu) 以上の 40, はるかに超える 2205 DSS (PREN≈32) および 316L オーステナイト鋼 (PREN≈34).
包括的なテストデータにより、極限環境におけるパフォーマンスが確認されています。:
ピッティングおよび隙間腐食抵抗
で 6% FeCl₃溶液 (ASTM G48 メソッド A), CD3MWCuN は孔食率 ≤0.015 g/ を示します。(m²・h), 臨界孔食温度あり (CPT) ≥40℃および臨界隙間腐食温度 (CCCT) 35℃以上.
海水中でのフィールド試験 (塩分濃度35％) 腐食速度 ≤0.003 mm/年を示す, 海水淡水化RO膜シェルの長期使用に最適.
ストレス腐食亀裂 (SCC) 抵抗
塩化物を含む媒体中で, CD3MWCuN の臨界応力拡大係数 KISCC ≥30 MPa・m¹/², アウトパフォーム 2205 DSS (KISCC≒25MPa・m¹/²).
酸性油田およびガス田向けの NACE MR0175 規格に準拠しています。, H₂S 分圧まで許容 20 SCC 開始なしの kPa.
酸および混合媒体に対する耐食性
で 10% h₂so₄ (25℃), 腐食速度 ≤0.05 mm/年, 化学反応器ライナーに適しています.
排煙脱硫において (FGD) システム (cl⁻ + SO₃²⁻混合培地), 使用後も目に見える腐食がなく、安定した性能を維持します。 5,000 サービス時間.
7. CD3MWCuNの鋳造特性
高合金であること, 鋳造超二相合金は、特定の 鋳造 課題:
- 広い凍結範囲と分離: 合金含有量が高いため、液相線から固相線までの範囲が増加します, 供給が不十分な場合、樹状突起間偏析と低 PREN 残留液体の捕捉の可能性が高まります。.
- 金属間化合物の析出: 洗浄/溶接中の冷却が遅い、または過剰な熱にさらされると、樹枝状結晶間領域および α/γ 界面で σ および χ 相が促進される可能性があります。これらの相は材料を脆化させ、耐食性を低下させます。.
- ガスの気孔率と酸化物含有物の感度: 厳格な溶融物の清浄度, 脱気とセラミックろ過が重要です。多孔性により有効強度と耐食性が低下します。.
- 給餌 & ライザーデザイン: 方向凝固, 収縮欠陥を避けるためには、適切なサイズのフィーダーとチルが不可欠です; 複雑な形状の場合は鋳造シミュレーションをお勧めします.
鋳造工場の要件: 真空または制御された雰囲気での溶解 (EAF + AOD/VOD), 厳密な脱酸/フラックス処理, セラミックフォームろ過, CD3MWCuN 鋳物を製造する場合は、最大セクションに合わせたサイズの検証済みの溶体化焼鈍炉がベスト プラクティスです。.
8. 熱処理, 溶体化処理と熱安定性
ソリューションアニール
- 目的: 金属間化合物を溶解し、偏析を除去します, 二相相バランスを回復し、耐食性を最大化します。.
- 一般的な窓:約. 1,050–1,100°C (正確なサイクルは切片の厚さに依存します), に続く 迅速なクエンチ (水または急速空気急冷) 再沈殿を避けるために.
- 浸漬時間: 最大セクションサイズに合わせて拡大縮小; 厚い鋳物を完全に均質化するには長時間の浸漬が必要です.
熱安定性 & 位相降水
- シグマ相およびその他の金属間化合物 に長時間暴露すると形成される可能性があります 600–900°C 範囲, 合金を脆化させ、耐食性を低下させる. 長期間にわたってこの範囲への熱の逸脱を避けてください。.
- 窒化物の析出 冷却/熱サイクルが制御されていない場合、炭化クロムの生成が懸念されます。低炭素と適切な炉の実践により感度が低下します。.
9. 溶接, 製造と機械加工のベストプラクティス
溶接
- 消耗品: 溶接金属の耐食性を回復するために、超二相組成用に設計された適合またはわずかに過剰適合の溶加材を使用します。.
- 入熱制御: 入熱を最小限に抑え、パス間温度を制御して、HAZ での σ/χ 形成を促進する過度の局所的熱サイクルを回避します。.
- 前後処理: 重要なコンポーネント用, 均一な微細構造を復元するために溶接後の溶体化焼鈍が指定されるのが一般的です; 現場修理用, 認定された PQR/WPS を備えた低入熱 TIG、および実行可能な場合は局所溶接後のソリューションを推奨.
- 水素制御: 標準予防措置が適用されます - 乾燥した電極, 必要に応じて低水素プロセス.
機械加工
- 加工性: 二相鋼/超二相鋼はオーステナイト鋼よりも靭性があり、硬いため、堅牢な超硬工具を使用してください。, ポジティブレーキ, 堅固な固定具, そして冷却剤. ステンレスよりも切断速度が遅くなることが予想されます 304/316.
- ねじ切りとインサート: 繰り返し組み立てる場合, 摩耗のために必要な場合は、ステンレス鋼またはオーステナイト系/青銅のインサートを検討してください; それに応じてねじのかみ合いを指定します.
製作アドバイス
- 溶体化焼鈍前に重要な鋳物に対して酸素燃料による熱切断を避けてください。局所的な加熱により金属間化合物が析出し、ライザーの根元に脆性亀裂が発生する可能性があります。.
熱による切断が避けられない場合, 機械的/より安全な切断を好む (のこぎり) 続いて溶体化焼鈍.
10. 表面仕上げと腐食保護のオプション
- 漬物 & 危険性: 二相化学に合わせた標準的な硝酸/フッ化水素またはクエン酸不動態化により、汚染物質を除去し、安定した不動態皮膜を促進します.
- 機械仕上げ: ショットブラスト, 研削と研磨により表面状態と疲労寿命が向上します; 残留応力を高める過度の冷間加工を避ける.
- コーティング: ポリマー塗料, エポキシライニングまたは特殊なコーティングは、非常に攻撃的な媒体での追加の保護を提供したり、隙間腐食のリスクを軽減したりするために使用されます。.
- 陰極保護: 巨大な海底構造物における陰極防食 (犠牲陽極または印加電流) 厳しい海洋環境における CD3MWCuN 本来の耐性を補完します.
11. CD3MWCuN ステンレス鋼の代表的な用途
- 海底コンポーネント: マニホールド, コネクタ, クランプ, ファスナー (高いPRENと強度が必要な場所).
- バルブ & フィッティング: バルブボディ, 海水および浄水サービス用のボンネットとトリム.
- ポンプケース & インペラ: エロージョン・コロージョンや孔食のリスクがある海水ポンプやブラインポンプ.
- 淡水化 & ROシステム: 高塩化物塩水にさらされたコンポーネント.
- 化学処理装置: 熱交換器, 原子炉, 塩化物を含む流れの配管.
- 油 & ガストップサイド / トップサイドチューブラー: 強度と耐食性が高いため、部品点数と重量が軽減されます。.
12. 利点と制限
CD3MWCuN ステンレス鋼の利点
- 高い耐孔食性/耐すきま性 塩化物環境用 (頻繁に PREN > 40 合金性の高い熱に対応).
- 高い機械的強度 — オーステナイト系と比較して、より薄いセクションと軽量化が可能になります。.
- 良好な耐SCC性 300シリーズステンレス鋼との比較.
- 複雑な形状にもキャスタブル 注意深く鋳造実習を行った上で, 部品の統合を可能にする.
CD3MWCuN ステンレス鋼の限界
- 料金: 高合金化 (MO, w, n) 一般的なグレードに比べて材料費と溶解費が増加する.
- 鋳造 & 熱処理の複雑さ: 注意深く鋳造工場を管理する必要がある, 可能な溶体化アニールとNDT; 大きな部品は均一に熱処理するのが難しい場合があります.
- 溶接/修理の感度: 溶接には認定された消耗品と制御が必要です; 扱いを誤るとシグマまたはその他の有害な段階が発生するリスク.
- 加工硬度: オーステナイト系グレードよりも機械加工が難しい - 工具 & サイクル設計ではそれを考慮する必要があります.
13. 比較分析 — CD3MWCuN と類似合金
このセクションでは比較します CD3MWCuN 塩化物含有および構造用途で一般的に考慮されている代替品: 二重 2205, スーパーデュプレックス 2507, そして 316l (オーステナイト).
| 財産 | CD3MWCuN (代表キャストスーパーデュプレックス) | 二重 2205 (鍛えた) | 超二重 2507 (鍛えた) | 316l (オーステナイト / キャスト相当) |
| 代表的な化学 (wt％) | Cr ≈ 25.0; で ≈ 4.0; モ ≈ 3.6; W ≈ 0.5; N ≈ 0.30 | Cr ≈ 22.0; で ≈ 5.0; モ ≈ 3.1; N ≈ 0.17 | Cr ≈ 25.0; で ≈ 6.5; モ ≈ 4.0; N ≈ 0.28 | Cr ≈ 17.0; で ≈ 10.0; モ ≈ 2.5; N ≈ 0.03 |
| 木材 (計算する. =Cr + 3.3・モ + 16・N + 0.5・W) | 41.93 (25.00 + 11.88 + 4.80 + 0.25) ≈ 42 | 34.95 (22.00 + 10.23 + 2.72) ≈ 35 | 42.68 (25.00 + 13.20 + 4.48) ≈ 42.7 | 25.73 (17.00 + 8.25 + 0.48) ≈ 25.7 |
| 一般的な引張強度 (UTS), MPA | 700 - 900 | 620 - 850 | 800 - 1000 | 480 - 650 |
| 収率 (0.2%), MPA | 450 - 700 | 450 - 550 | 650 - 800 | 200 - 300 |
| 伸長 (A5) | 10 - 25% (セクションに依存する) | 15 - 30% | 10 - 20% | 35 - 50% |
| 密度 (g・cm⁻³) | ～7.8 – 8.0 | ～7.8 – 7.9 | ～7.8 – 7.9 | 〜7.9 - 8.0 |
| キャスト性 | 良い (鋳造用に設計された) | 適度 (二重キャストは可能だが要求が厳しい) | 挑戦的 (超二重鋳造には専門家の制御が必要です) | 素晴らしい (CF8M のような同等のキャストが存在します) |
溶接性 |
一致した両面印刷の消耗品を使用する場合に適しています; コントロールが必要です | 資格のある手順で良好 | より要求の厳しい; 厳密な管理が必要 | 素晴らしい |
| SCC / 塩化物耐性 | 高い 多くの海水/塩水サービス向け (木材≈ 42) | 中～高 (多くのサービスに適しています) | 非常に高い (木材 ≈ 41–45) | 低モデレート; 塩化物中では孔食/SCC が発生しやすい |
| 典型的なアプリケーション | 鋳造バルブ本体, 海底コンポーネント, 海水・塩水用ポンプケーシング | 熱交換器, 圧力容器, 二重強度が必要な配管 | 重要な海底, 非常に攻撃的な塩化物環境 | 一般的な化学プロセス, 食べ物, 製薬, 低刺激塩化物サービス |
| 相対的な材料コスト | 高い (合金 + メルトの複雑さ) | 中くらい | 非常に高い | 低メディウム |
14. 結論
CD3MWCuN は、次の魅力的な組み合わせを提供する鋳造超二相ステンレス鋼ファミリーです。 高強度 そして 優れた局部腐食耐性 要求の厳しい塩化物含有環境向け.
複雑な鋳造部品に適しているため、統合する場合に優れたオプションになります。, 軽量化と耐腐食性が同時に求められる.
使用が成功するかどうかは、 厳格な鋳造実習 (凝固制御, 溶ける清潔さ, フェライト制御), 適切な熱処理, そして 認定された製造/溶接手順.
指定され、正しく処理された場合, CD3MWCuN は耐久性を提供します, 海中用の高性能鋳物, 淡水化, 油 & ガスおよび化学産業.
FAQ
PRENとは何ですか > 40 実際には意味する?
木材 > 40 強い孔食性と耐隙間性を示します. 実際には, これは、この合金が海水や、低 PREN 材料に穴を開ける温度や流れ条件での多くの高塩化物プロセス流における局所的な攻撃に耐えることを意味します。.
CD3MWCuN は海底での使用に適していますか?
はい - 適格な手順に従って鋳造/鍛造および製造された場合, 管理された表面仕上げと検査が行われます, CD3MWCuN は海中コンポーネントや海水にさらされるハードウェアに広く使用されています.
CD3MWCuN は溶接後の熱処理なしで溶接できますか?
手順が適格であり、入熱が厳密に制御されていれば、PWHT がなくても溶接は可能です; しかし, 最も重要なコンポーネント、または HAZ パフォーマンスが最重要である場合, 溶接後の溶体化焼鈍 (またはその他の検証済みの是正措置) 必要になる場合があります.
CD3MWCuN とスーパーオーステナイト合金との比較?
スーパーオーステナイトは、一部の化学反応において PREN と同等またはそれを超え、より優れた延性/成形性を提供します。, しかし、CD3MWCuN は一般に、塩化物主体の環境ではより高い強度を提供し、多くの場合より有利なライフサイクルコストを提供します。, 機械的に要求の高いサービス.
